CN105165024A - 用于光子交换的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，光子帧调度的方法包含通过光子交换结构从架顶(TOR)交换机接收帧请求，其请求用于将光帧交换到所述光子交换结构的光子交换机的输出端口的时隙；以及确定在所述时隙期间所述光子交换机的所述输出端口是否可用；以及根据所述确定产生包含允许或拒绝的竞争信号。并且，所述方法包含当所述竞争信号包含所述允许时，将所述时隙分配到所述TOR交换机以用于所述光子交换机的所述输出端口；通过所述光子交换结构向所述TOR交换机传输所述竞争信号；以及当所述竞争信号包含所述允许时，在所述时隙期间通过所述光子交换结构从所述TOR交换机接收所述光帧。

Description

用于光子交换的系统和方法
相关申请案交叉申请
本发明要求2013年5月10日递交的发明名称为“用于无缓存数据中心光子交换机的同步和竞争控制的系统和方法(SystemandMethodforSynchronizationandContentionControlforBuffer-lessDatacenterPhotonicSwitches)”的第61/822,165号美国临时申请案的在先申请优先权，且要求2014年4月7日递交的发明名称为“用于光子交换的系统和方法(SystemandMethodforPhotonicSwitching)”的第14/246,711号美国专利申请案的在先申请优先权，所述在先申请的内容如同全文复制一样以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及用于光通信的系统和方法，且具体来说，涉及用于光子交换的系统和方法。
背景技术
通过用户数的增长且通过应用数的增加激起的互联网业务的增长产生对带宽的更高需求。此增长需要具有较高交换能力的较大分组网络。数据中心包含庞大数目的服务器机架、存储设备机架以及其它机架，所有机架经由巨大的集中式包交换资源互连。在数据中心中，电力包交换机用于路由数据包。极高速率的电子包交换涉及巨大的冷却和空间成本。因此，光子包交换是所需的。
服务器、存储设备和输入-输出功能的机架包含架顶(TOR)交换机，所述架顶交换机将来自它们的相关联服务器和/或其它外围设备的包流组合成每TOR交换机更少数目的高速流，这些高速流被路由到包交换核心。并且，TOR交换机接收来自所述资源的返回经交换流且将其分布到所述交换机的机架内的服务器。可以存在从每一TOR交换机到包交换核心的4×40Gb/s的流和相同数目的返回流。在数据中心中可以存在每机架一个TOR交换机，其中具有数百到数万个机架，因此具有数百到数万个TOR交换机。
发明内容
光子帧调度的实施例方法包含通过光子交换结构从第一架顶(TOR)交换机接收第一帧请求，其请求用于将第一光帧交换到所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口的第一时隙；以及确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用。所述方法还包含根据所述确定产生包含允许或拒绝的第一竞争信号；以及当所述第一竞争信号包含允许时，将所述第一时隙分配到所述第一TOR交换机以用于所述光子交换机的所述第一输出端口。另外，所述方法包含通过所述光子交换结构向所述第一TOR交换机传输所述第一竞争信号；以及当所述第一竞争信号包含允许时，在所述第一时隙期间通过所述光子交换结构从所述第一TOR交换机接收所述第一光帧。
协调光子帧的实施例方法包含确定光帧从架顶(TOR)交换机到光子交换结构且回到所述TOR交换机的往返时间(RTT)；以及通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输指示所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口的第一传输请求。所述方法还包含通过所述TOR交换机从所述光子交换结构接收竞争响应；以及当所述竞争响应指示所述第一传输请求的允许时，在传输所述第一传输请求之后的所述RTT加处理时间的第一总时间处通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输第一帧。
实施例光子交换结构包含第一标签检测器，其用于从第一架顶(TOR)交换机接收第一传输请求，所述第一传输请求请求用于将第一光帧交换到光子交换机的第一输出端口的第一时隙；以及交换机控制器，其用于确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用，当所述第一时隙可用时将所述第一时隙分配到所述第一帧，以及传输拒绝或允许在所述第一时隙期间将所述第一帧传输到所述第一TOR交换机的第一竞争信号。所述光子交换结构还包含光子交换机，其用于在所述第一竞争信号允许所述第一传输请求时，在所述第一时隙期间从所述第一TOR交换机接收所述第一帧。
前文已相当广泛地概述了本发明的实施例的特征，以便可以更好地理解接下来的本发明的具体实施方式。下文中将描述本发明的实施例的另外的特征以及优点，这些另外的特征以及优点形成本发明的权利要求书的主题。所属领域的技术人员应了解，所公开的概念及具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效构造不脱离如在所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
图1图示实施例数据中心；
图2图示实施例光子交换结构；
图3图示实施例光子交换系统；
图4图示实施例请求表；
图5图示实施例调度；
图6图示协调光子帧的实施例方法的流程图；
图7图示对光子帧进行调度的实施例方法的流程图；
图8图示用于光子包交换的实施例系统；
图9A到D图示用于光子包交换系统的波形和眼图；以及
图10图示用于光子包交换的另一实施例系统。
除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
具体实施方式
首先应理解，尽管下文提供一个或多个实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可以使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包含本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
在一个实施例中，一个波长用于向输出目标发信号通知帧的允许或拒绝，所述允许或拒绝可以被封装在帧中、或未进行封装。架顶(TOR)交换机和光子交换结构之间的传输在时隙持续时间内同步。根据竞争分析，交换机控制器确定用于时隙的交换映射。随后利用不同的往返时间(RTT)在光子交换机的输入端处从TOR交换机同步地接收帧。调度算法基于一种基于时隙的系统，其中交换机每时隙或每隔几个时隙一次地通过一个信令波长发送同步消息的周期性传输。因为光子帧在到达交换机输入端处的同时具有一些最小抖动，所以将时隙用作时间单位。
图1图示数据中心100，即单中心三层数据中心。服务器组104各自包含N个服务器102。服务器组中的服务器连接到TOR交换机106，即最小交换机。服务器102和TOR交换机106组织在机架中。TOR群108，即集群交换机，连接到TOR交换机106。存在每TOR群M个TOR交换机以及P个TOR群。TOR群108连接到光子交换机110，即，具有n个并行接口的nP×nP光子交换机。在一个实例中，N＝48、M＝32、P＝32且n＝1，所述实例具有50,000个服务器。流量从服务器102中的源服务器路由经过TOR交换机106、TOR群108以通过光子交换机110进行交换。流量随后前进通过TOR群108和TOR交换机106到达服务器102的目标服务器。
图2图示具有无缓存光子交换架构的光子交换结构160。存在信令或控制波带166和数据或净荷波带164的分离。例如，将1310nm的波长带用于净荷数据且将1550nm的波长带用于控制信令。
在1550nm波带中的硅光子收发器可以用于产生和接收控制信号。低成本法布里-珀罗(Fabrey-Perot)激光器可以用作高速波分复用(WDM)的光源。在TOR群中可以每网络的区段或跳存在一对集成的收发器。信令路径在两个点或节点之间载送点对点信息。在TOR交换机162处，在两个单独带中对目标地址和净荷数据进行编码和调制。标签在控制波长上调制且被传输到光子交换结构168，所述光子交换结构可以集成在光子集成电路(PIC)中。在实例中，激光器阵列是使用自动取放机和被动对准的结合到硅光子芯片上的倒装芯片。使用物理特征和对准标记，将阵列焊接在适当的位置，从而使激光器与其在硅光子芯片上的对应波导精确地对准。在硅芯片的波导上可以存在光栅以将宽带激光器转换成精确的WDM激光器。同时使用光刻掩模压印光栅。激光光栅使用硅工艺产生，因此可以使用激光器来产生所需的波长。
在光子交换结构168中，通过标签检测器170对标签信息进行解码。例如，标签检测器170可以是集成的WDM检测器。标签信号按波长分离。随后，通过被转换成电信号的光信号检测每个经分离波长信号的功率。在一个实例中，将经分离波长信号的功率转换成数字二进制信号，其中如果功率在阈值以上则产生1，且当信号在阈值以下时产生0，或反之亦然。数字信号随后可以指示对应模式的目标地址，且因此指示光交换机172的对应输出端口。
随后将经解码标签信息传递到交换机控制器174。在交换机控制器174中，在电域中执行竞争分析和调度。交换机控制器174可以实施为现场可编程门阵列(FPGA)或另一专用硬件处理器，例如专用集成电路(ASIC)。在一个实例中，允许帧或者拒绝帧。交换机控制器174调整在光交换机172中的连接以促进经允许帧的交换，所述光交换机即，nP×nP光空间交换机或n个并行的P×P交换机。在时隙的初期，还将其上允许净荷时隙的调度信息传递到合路器182，使得TOR交换机接收用于所请求时隙的允许或拒绝信息。在一个实例中，交换机控制器174维持用于光交换机172的调度。在同步控制中，在某一时隙期间，每个输入端子和每个输出端子仅可以使用一次。当TOR交换机在RTT+p处的时隙处请求输入端子和输出端子，其中p是用以处理传输请求的处理时间时，交换机控制器174检查输出在所请求的时隙处是否可用。当输出是可用的时，所述时隙和输出端口经调度用于所请求的帧。当输出端口已经调度用于所述时隙时，可以拒绝请求。替代地，所述帧经调度用于随后的时隙。
通过光交换机172交换净荷数据。光交换机172可以是光空间交换机。光空间交换机是光子包交换机，其在光帧的持续时间内将输入端耦合到输出端。在一个实例中，光交换机172是例如由硅制成的固态光子交换机。
经交换净荷数据任选地通过滤波器176滤波，所述滤波器通过净荷波长但滤除控制波长。滤波器176可以是带通或低通滤波器。滤波器176允许净荷波长通过而滤除控制波长。在一些实施例中，不使用此滤波器，且标签检测器170是用于信令波带的带通滤波器。
随后，通过块178添加同步信息，所述块产生在λ1处的脉冲，所述λ1即在控制波带中的波长。在一个实例中，以有规律的间隔产生同步脉冲。例如，每时隙添加一同步脉冲。如果不使用封装器方案，那么最长包大小可以是1500字节。随后，经由100Gbps链路每隔120ns加包间隙传输同步消息。对于W＝16个包的封装器大小，考虑1500字节的最大包大小，针对100Gbps链路每隔1920ns加经界定封装器隙时间发送同步脉冲。封装器和其间隙在2013年5月10日递交的发明名称为“用于封装光子包的系统和方法(SystemandMethodforWrappingPhotonicPackets)”的第61/822,147号美国专利申请案中进一步论述，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。同时针对目标TOR在λ1上调制同步脉冲。
接着，当不存在竞争时，可以通过块180添加另一脉冲。在λ2处的竞争脉冲，即在控制波带中的另一波长，可以在同步脉冲之前、之后或与之同时。在一个实例中，当产生竞争脉冲时，这指示不存在竞争，且用于所请求目标的帧可以通过TOR交换机传输。缺乏竞争脉冲指示输出竞争，其中所述帧不应通过源TOR交换机传输。替代地，竞争脉冲指示缺乏竞争，且无脉冲指示竞争。在另一个实例中，块180产生在两个不同波长上的两个脉冲，其表示代码的位，总共四个代码。一个代码表示拒绝，一个代码表示在所请求时隙中的允许，一个代码表示在紧接于所请求时隙之后的时隙中的允许，且一个代码表示在所请求时隙之后两个时隙的时隙中的允许。块178和块180是1×N分路器。在一个实例中，它们是硅光子。
合路器182随后组合净荷数据、同步脉冲以及竞争脉冲。在一个实施例中，合路器是通过竞争脉冲控制的开/关交换机。当合路器处于开状态时，载送λ2的波导与载送净荷数据的波导结合。竞争控制器确定哪个合路器将处于开状态。当不存在竞争时，产生竞争脉冲以发信号通知所述允许。此竞争脉冲促进λ2与硅光子芯片内的净荷和同步脉冲的组合。并且将信号载送到目标TOR交换机。
光子交换结构168输出经交换净荷数据186、同步脉冲188以及竞争脉冲190。这些信号通过TOR交换机162接收。
关于用于协调光包以进行光包交换的系统的另外细节在2014年4月7日递交的发明名称为“用于光子交换的系统和方法(SystemandMethodforPhotonicSwitching)”的第[HW81081798US02]号美国专利申请案中提供，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
图3图示用于光子交换的系统120。光子交换结构和调度程序122耦合到TOR交换机124、126、128、130、132、134、136以及138。图中描绘了八个TOR交换机，但可以使用更少或更多的TOR交换机。通过TOR交换机将数据帧传输到光子交换结构和调度程序122，且传输到目标TOR交换机。在传输帧之前，源TOR交换机向光子交换结构传输用以在未来传输帧的请求。调度程序122以对所请求时隙中的帧的允许或拒绝来对所请求输出端口作出响应。在一个实例中，光子交换结构和调度程序122以对将在稍后时隙中进行交换的帧的允许作出响应。
光子交换结构和调度程序122同时向TOR交换机发送同步脉冲以使在光子交换机的输入端口处的帧的接收同步。时隙是等于包含建立时间的将光子交换机的输入端连接到光子交换机的输出端以用于交换帧的持续时间的时间单位。时隙可以等于帧大小加在帧与交换时间之间的间隙时间。时隙可以等于封装器大小加封装之间的间隙。封装器将具有例如网络、目标等相同属性的许多包积聚在较大帧中，其中新间隙时间等于所有本地包的包间隙(IPG)的总和。所述系统可以充当隙缝系统，其中以规律的间隔接收同步脉冲。TOR交换机提前RTT加在光子交换结构处的标签的处理时间p来传输请求。对于不同的TOR交换机，RTT基于将所述TOR交换机连接到光子交换结构的光纤的长度而不同。时隙是基于封装器的大小。例如，当封装器包含一个最大大小的包时，一个时隙是120ns，用于100G传输。此时间等于光在具有24m的长度的光纤中行进的时间。从交换机控制的角度来看，以时隙单位对RTT和标签处理时间进行上舍入。TOR交换机124具有42m的光纤距离和2个时隙的RTT，TOR交换机126具有20m的光纤距离和1个时隙的RTT，TOR交换机128具有45m的光纤距离和2个时隙的RTT，TOR交换机130具有60m的光纤距离和3个时隙的RTT，TOR交换机132具有90m的光纤距离和4个时隙的RTT，TOR交换机134具有55m的光纤距离和3个时隙的RTT，TOR交换机136具有110m的光纤距离和5个时隙的RTT，且TOR交换机138具有80m的光纤距离和4个时隙的RTT。
所述请求是目标TOR交换机对经编码波长进行编址。所述请求到达光子交换结构。随后，交换机控制器处理所述请求。非竞争目标接收允许消息，而竞争目标接收在稍后的时隙消息中的拒绝或者允许。光子交换结构基于反映经允许TOR交换机的连接性的交换机的连接性映射更新调度。
在接收同步信号和允许消息后，TOR交换机根据实际测量的RTT+p确定用以传输帧的时间，因此来自多个TOR交换机的帧同步地到达光子交换机的输入端。净荷在电域中在TOR交换机处得到缓冲直到所述净荷接收到允许。精确的RTT可以使用线性腔环或光时域反射仪(OTDR)来测量。RTT可以在供应期间作为一次性测量进行测量。替代地，RTT在操作期间通过在用于管理或供应的专用控制波带上传输特定消息来确定。
图4图示用于请求光子交换机输出的TOR交换机的请求表140。同步在光子交换机输入端处发生。每一列表示来自八个输入端的请求，且数字指示所请求的输出端口。例如，在时隙1，即S1中，光子交换结构从将连接到输出端3的输入端1接收请求、从将连接到输出端6的输入端2接收请求、从将连接到输出端2的输入端3接收请求、从将连接到输出端8的输入端4接收请求、从将连接到输出端1的输入端5接收请求、从将连接到输出端1的输入端6接收请求、从将连接到输出端4的输入端7接收请求且从将连接到输出端3的输入端8接收请求。随后，在时隙2，即S2中，交换机接收下一组连接请求。请求在光子交换机将接收所述帧之前由光子交换结构RTT+p接收。检查标记指示无竞争，而×指示竞争。
图5图示连接性映射200，所述连接性映射按时隙示出在光子交换机中输入端到输出端的连接性映射。在光子交换结构处的调度表与TOR交换机在从光子交换结构接收允许或拒收信息之后发送的实际流量相对应。行指示输出端口，且在单元中的数字指示所述输出端口所连接到的输入端口。基于RTT+p提前调度时隙。例如，在时隙6中，输入端3连接到输出端1、输入端1连接到输出端2、输入端4连接到输出端3、输入端7连接到输出端4、输入端6连接到输出端5，且输入端5连接到输出端7。
在一个实例中，输入端2请求在时隙4中连接到输出端1，其中RTT+p经舍入为1。经舍入RTT+p以时隙单位进行上舍入。因此，输入端2针对时隙6请求此连接。然而，输出端1已经调度以在时隙6处连接到输入端3。输入端3已经请求在时隙2中连接到输出端1，其中RTT+p为2。因此，输入端3具有针对此请求的竞争。
如果在调度程序接收请求时时隙已经被采用，那么TOR交换机可以接收拒绝，且可以稍后再次尝试相同的连接。替代地，所述连接可以经调度用于稍后的时隙。在此实例中，光子交换结构可以传输指示用于所述帧的经调度时隙的消息。
图6图示用于协调通过TOR交换机执行的光帧或封装器的方法的流程图250。帧被定义为个别的包或一或多个经封装包。初始地，在步骤264中，TOR交换机确定用于光子帧到光子交换结构且返回的RTT。这可以在调试时或在操作期间执行。在一个实例中，使用线性腔环。替代地，使用OTDR。
在步骤252中，TOR交换机传输用以传输帧的请求。目标地址在例如1550nm波带等的波带中调制。在一个实例中，在波带中的十二个波长中的一者处光的存在或不存在指示目标地址中的位。在实例中，十二位标签标识交换机的目标端口地址。十二位在十二个波长上进行编码。例如，使用在1500nm与1600nm之间的具有8nm间距的十二个波长。所述波长具有两个功率电平。低功率可以表示0且高功率可以表示1，或反之亦然。十二个波长对4096个端口进行编址。在其它实例中，使用四个、八个、十六个或另一数目的波长。端口可以连接到TOR群地址域或子网。关于波长编码的更多细节在2013年5月24日递交的发明名称为“用于多波长编码的系统和方法(SystemandMethodforMulti-WavelengthEncoding)”的第13/902,085号美国专利申请案中论述，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
响应于在步骤252中传输的地址，TOR在步骤254中接收来自光子交换结构的同步脉冲和允许指示符。所述允许指示是否已经授予TOR交换机在所请求的时隙中传输帧的权限。在一个实例中，跟随有允许脉冲的同步脉冲指示帧已经被授予传输的权限，且未跟随有允许脉冲的同步脉冲指示所述帧尚未被授予传输的权限。在另一个实例中，传输表示两个位的两个波长，其指示针对所请求的时隙的拒绝、允许或在稍后时隙中的允许。
接着，在步骤258中，TOR交换机确定是否已经被授予在当前时隙中传输帧的权限。在一个实例中，跟随有另一脉冲的同步脉冲指示已经被授予所述权限，而未跟随有另一脉冲的同步脉冲指示尚未被授予所述权限。同步脉冲和允许脉冲可以在不同波长处。替代地，同步脉冲和允许脉冲在相同波长处。同步脉冲和允许脉冲可以在控制波带中。在一个实例中，使用两个波长对两个位进行编码。例如，00指示拒绝、11指示允许、01指示在下一时隙中的允许、且10指示提前两个时隙的允许。其它实施例可以使用更多的波长。
当授予权限时，TOR交换机在步骤260中传输帧。在此步骤中，TOR交换机在发送帧之前等待在时隙单位的舍入(RTT+p)与实际RTT+p之间的时间间隔。使用集成的WDM收发器在净荷波长上调制所述帧。TOR交换机传输所述帧，使得所述帧将在经分配时隙的初期到达光子交换结构输入端。这使用在步骤264中计算出的RTT+p来执行，以促进帧在光子交换结构的输入端口处的同步到达。
当未被授予传输帧的权限时，TOR交换机前进到步骤262。在任选的步骤262中，TOR交换机确定是否已经在下一时隙中允许所述帧。在一个实例中，一个波长指示是否在所请求的时隙中允许帧，且另一波长指示是否在下一时隙中允许帧。如果在随后的时隙中允许所述帧，那么所述帧可以在步骤262中延迟一或多个时隙，且随后在步骤260中进行传输。如果所述帧不被允许，那么TOR交换机返回到步骤252以再次寻求传输所述帧的权限。当再次请求所述帧时，计数器可以递增。当计数器达到阈值时，可以丢弃所述帧。替代地，当计数器达到阈值时，将所述帧发送到处理过载的另一交换机，例如，电子帧交换机。在实例中，光子交换结构使用未使用的时隙将管理数据、数据的性能监视以及软件更新发送到TOR交换机。
图7图示用于通过光子包交换结构执行的调度帧的方法的流程图400。初始地，在步骤402中，通过光子交换结构从TOR交换机接收帧请求。可以对目标信息进行波长编码，其中在波长中光的存在或不存在指示位。在请求时隙之前的RTT+p接收帧请求。
随后，在步骤404中，从帧请求提取未来帧的目标地址。例如，通过通带滤波器对目标地址信息进行滤波以分离出信令波长。确定在每个波长处是否都存在功率。在一个实例中，在波长处光功率的存在指示1位，且光功率的不存在指示0位。位模式可以用于确定未来帧的目标地址。
接着，在步骤406中，执行调度，使得在给定时间处，每个输入端口和输出端口至多仅使用一次。批准一些帧进行传输，而拒绝其它帧。光子交换结构确定其上将到达所请求的帧的时隙。所述时隙以时隙单位的经舍入RTT+p。光子交换机确定所请求的输出端口是否已经调度用于所请求的时隙。如果不存在竞争，那么所述帧经调度用于所请求的时隙。如果存在竞争，那么可以拒绝所述帧。在一个实例中，光子交换机确定输出端在下一时隙中是否可用。如果所述输出端可用，那么所述帧经调度用于下一时隙。如果下一时隙不可用，那么所述帧被拒绝或经调度用于稍后的时隙。
在步骤412中，产生同步和竞争信号。同步脉冲可以使用专用波长来使TOR交换机同步。对于被授予传输帧的权限的TOR交换机，同步脉冲可以跟随有竞争脉冲，且如果未被授予权限，则所述同步脉冲不跟随有竞争脉冲。竞争脉冲和同步脉冲可以是在控制波带内的不同波长。在一个实例中，使用附加波长来指示所述帧是否经批准用于下一时隙。
在步骤414中将同步信号、竞争信号以及经交换净荷帧传输到TOR。经交换净荷信号在净荷波带上调制而同步和控制信号在控制波带上调制。同步信号和竞争信号可以作为标签在相同波带上传输。
在步骤407中接收净荷数据。在光子交换机的输入端处同步地接收净荷帧。
在步骤408中，交换净荷数据。例如通过光空间交换机来进行此操作，所述光空间交换机在时隙的持续时间内维持连接。在光空间交换机中的连接可以基于用于当前时隙的经调度帧来设定。光空间交换机可以是固态光子交换机。
最终，在步骤416中，将经交换净荷数据传输到目标TOR交换机。尽管执行了步骤407、408以及416，但也执行步骤402、406、412以及414用于未来的时隙。
图8图示系统270，即具有电力交换机298和光子交换机306的实施例系统，其中短包通过电力交换机298交换且长包通过光子交换机306交换。关于其中短包通过电力交换机交换且快速包通过光子交换机交换的包交换系统的另外的细节在2013年5月24日递交的发明名称为“用于分流包流的系统和方法(SystemandMethodforSteeringPacketStreams)”的第13/902,008号美国专利申请案中论述，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
服务器272和274耦合到TOR交换机280，而服务器276和278耦合到TOR交换机282。用于TOR交换机280和TOR交换机282的光信号分别通过光至电转换器284和286转换到电域。
处理器288处理包，所述处理器即现场可编程门阵列(FPGA)。在一个实例中，处理器288与TOR交换机280和282集成。传入包通过入节点291和入节点294处理，而传出包通过出节点292和出节点296处理。在TOR交换机280和282与处理器288之间的链路是10千兆以太网。在入节点291和入节点294中，长包与短包分离。长包通过解决包竞争而准备用于光子交换。在解决竞争之后，压缩包且对其进行按位加扰，并且添加光子目标标签。标签跟随有经加扰媒体接入控制(MAC)帧。通过压缩长包，存在足以插入带内光子标签的包间隙，且存在更多的时间用于光子交换机连接建立且用于在目标聚合交换机处的接收器同步。包压缩通过升高在输出物理层上的时钟速率来实现。长包在11.35Gb/s处超频10％。标签在11.35Gb/s处是短模式。关于包压缩的另外细节通过2013年5月24日递交的发明名称为“用于使包加速和减速的系统和方法(SystemandMethodforAcceleratingandDeceleratingPackets)”的第13/901,944号美国专利申请案提供，该在先申请的内容以引入的方式并入本文本中。
在出节点292和出节点296处，执行反向操作。接收光子长包和电子短包。对包进行重新排序且将其作为互联网协议(IP)/以太网包朝向目标TOR交换机转发。
随后通过电至光转换器290、293、295以及297将经处理包从电域转换到光域。短包被路由到电至光转换器290和295且前进以通过电力交换机298进行交换。
长包被路由到光子交换机306，即4×4锆钛酸铅镧(PLZT)光子交换机。光子交换机306的交换时间是约10ns到20ns。光纤分路器301将功率的10％引导至光至电转换器302。电信号用于通过交换机控制器304控制光子交换机306，所述交换机控制器即基于FPGA的交换机控制器。光纤延迟线303使信号延迟足够长以使交换机控制器在包到达之前读取光子标签且设定交换机连接。
图9A到C图示来自图8中的系统270的结果。服务器272发送具有四个不同目标MAC地址的以太网帧，每个目标MAC地址指定到光子交换机306的不同光子输出端口。图9A图示具有在光子交换机306的四个输出端口上的帧波形的曲线图310。光接收器电压极性反转，在不存在光时具有水平线且在存在经交换帧时具有波形。
图9B图示帧结构350。帧结构350包含8字节的标签352；176字节的间隙和前导354；起始帧分隔符(SFD)356；以及1470字节的媒体接入控制(MAC)帧358。
图9C图示具有光子交换机306的输出端口1和2的详细输出帧波形的曲线图320。曲线322示出光子帧传输的完成，且曲线324开始发送前同步信号和光子标签。时间t0表示用于标签、间隙、前导以及SFD的总时间。时间t1表示在完成帧传输之前可以开始标签的过程的最早时间。时间t1是106.9ns，交换机响应时间t2是12ns，用于接收器同步的残余前导是15ns，用于时钟和数据恢复(CDR)的前导t3是13ns，且SFD时间是12ns。
图9D图示具有经交换信号的眼图的曲线图330。因为总处理时间是130ns，所以用于控制处理的时延大约是130ns减交换机响应时间减残余前导时间，或103ns。此延迟可以通过21m的光纤延迟线来补偿。
图10图示系统340，即使用光空间交换的实施例光子交换系统。系统340可以是图2中的光子交换系统160的实施方案。在使用封装器方案的情况下，将所有包都封装到较大光子帧中，且不需要电力包交换机来处理小包。单独的波带用于控制信号路径和净荷数据路径。光子路由标签用于前向路径上，即从源TOR交换机到光子交换核心的路径。在返回路径上的信令，即，在从光子核心到目标TOR交换机的路径上的信令用于竞争控制和同步。
服务器网络342通过模拟器344和模拟器346来模拟。模拟器344和346包含小形状因数可插拔收发器(SFP)348、350、352以及354，所述收发器连接到TOR交换机356、358、360以及362。信号被发送到FPGA366。
在FPGA366中，通过SFP368接收信号。这些信号通过前端适配器372来处理。通过标签产生器374产生标签。通过SFP378将信号和群输出到光子交换结构386和FPGA390。
通过光至电转换器398将标签的光信号转换到电信号，且通过FPGA390接收标签的光信号。通过处理器396来处理所述信号。随后，通过控制信号提取器394来提取控制信号。随后通过低压差分信号(LVDS)将控制信号转换到晶体管-晶体管逻辑(TTL)板392。
数据波径信号通过复用器380，即40G的复用器进行多路复用，且被输出到光子交换结构386。来自FPGA390的控制信号也被输入到光子交换结构386。光子交换结构386是4×4光空间交换机。信号进行交换且被输出到FPGA366。
通过解复用器382和SFP378接收所述信号。通过后端适配器376处理所述信号。通过FPGA夹层卡(FMC)将信号转换到超小型A型(SMA)转换器370。信号通过电至光转换器364转换到光信号，且前进到TOR交换机356、358、360和362。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其它特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或组件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间组件间接地耦合或通信。其它变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (22)

1.一种光子帧调度的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过光子交换结构从第一架顶(TOR)交换机接收第一帧请求,其请求用于将第一光帧交换到所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口的第一时隙；
确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用；
根据所述确定产生包括允许或拒绝的第一竞争信号；
当所述第一竞争信号包括所述允许时，将所述第一时隙分配到所述第一TOR交换机以用于所述光子交换机的所述第一输出端口；
通过所述光子交换结构向所述第一TOR交换机传输所述第一竞争信号；以及
当所述第一竞争信号包括所述允许时，在所述第一时隙期间通过所述光子交换结构从所述第一TOR交换机接收所述第一光帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括当所述第一竞争信号包括所述拒绝时：
确定在第二时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用，其中所述第二时隙在所述第一时隙之后；
将所述第二时隙分配到所述第一TOR交换机以用于所述光子交换机的所述第一输出端；以及
在所述第二时隙期间通过所述光子交换结构从所述第一TOR交换机接收所述第一光帧。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收所述第一光帧在接收所述第一帧请求之后的往返时间加处理时间处发生。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
通过所述光子交换结构从第二TOR交换机接收第二帧请求，其请求用于将第二光帧交换到所述光子交换机的所述第一输出端口的所述第一时隙；以及
检测在所述第一帧请求和所述第二帧请求之间的竞争。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述第一时隙的持续时间内将所述光子交换机的第一输入端口连接到所述光子交换机的所述第一输出端口，其中接收所述第一光帧包括接收在所述光子交换机的所述第一输入端口上的所述第一光帧。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过所述光子交换结构向所述第一TOR交换机传输同步脉冲。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一帧请求在控制波带中且所述第一光帧在净荷波带中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述第一帧请求交换所述第一光帧以产生经交换光帧；以及
通过所述光子交换结构向第二TOR交换机传输所述经交换光帧。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一竞争信号包括表示第一位的在第一波长处的第一脉冲和表示第二位的在第二波长处的第二脉冲。
10.一种协调光子帧的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定光帧从架顶(TOR)交换机到光子交换结构且回到所述TOR交换机的往返时间(RTT)以产生计算出的往返时间加处理时间；
通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输第一传输请求，其指示所述光子交换结构的光子交换机的第一输出端口；
通过所述TOR交换机从所述光子交换结构接收竞争响应；以及
当所述竞争响应指示所述第一传输请求的允许时，在传输所述第一传输请求之后的所述RTT加处理时间的第一总时间处通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输第一帧。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括当所述竞争响应拒绝所述第一传输请求时，通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输指示所述光子交换机的所述第一输出端口的第二传输请求。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在传输所述第一传输请求之后的所述RTT加所述处理时间加时隙的第二总时间处通过所述TOR交换机向所述光子交换结构传输所述第一帧。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括通过所述TOR交换机从所述光子交换结构接收同步脉冲。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在传输所述第一帧之前在接收所述竞争响应之后，在经舍入往返时间加处理时间与所述计算出的往返时间加处理时间之间的时间差内进行等待。
15.一种光子交换结构，其特征在于，包括：
第一标签检测器，其用于从第一架顶(TOR)交换机接收第一传输请求，所述第一传输请求请求用于将第一光帧交换到光子交换机的第一输出端口的第一时隙；
交换机控制器，其用于确定在所述第一时隙期间所述光子交换机的所述第一输出端口是否可用；当所述第一时隙可用时将所述第一时隙分配到所述第一帧；以及传输拒绝或允许在所述第一时隙期间将所述第一帧传输到所述第一TOR交换机的第一竞争信号；以及
所述光子交换机，其用于在所述第一竞争信号允许所述第一传输请求时在所述第一时隙期间从所述第一TOR交换机接收所述第一帧。
16.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，进一步包括第二标签检测器，其用于从第二TOR交换机接收第二传输请求，所述第二传输请求请求用于将第二光帧交换到所述光子交换机的所述第一输出端口的所述第一时隙，其中所述交换机控制器用于根据所述第一和第二传输请求检测竞争。
17.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，所述第一竞争信号指示所述第一帧是被拒绝、被分配到所述第一时隙、还是被分配到第二时隙，其中所述第二时隙在所述第一时隙之后。
18.根据权利要求17所述的光子交换结构，其特征在于，所述第一竞争信号包括表示第一位的在第一波长处的第一脉冲和表示第二位的在第二波长处的第二脉冲。
19.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，所述交换机控制器用于在所述第一时隙期间将所述光子交换机的第一输入端口连接到所述光子交换机的所述第一输出端口，其中所述光子交换机的所述第一输入端口用于接收所述第一帧。
20.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，所述光子交换机是光空间交换机。
21.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，所述传输请求在控制波带中，并且其中所述第一光帧在净荷波带中。
22.根据权利要求15所述的光子交换结构，其特征在于，所述帧包括包或经封装包。
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